Chapitre 1 : Mécanique de l’endommagement et de la rupture - Approche
1.2. Approche classique des problèmes de fissuration : mécanique de la
1.2.1. Rupture fragile et rupture ductile
A tecnologia de conversores de freqüência para o uso em aplicações industriais, assim como sua interação com os motores elétricos são relativamente recente. O tema torna-se ainda mais atual quando o estudo é dirigido à conversores de freqüência acionando motores elétricos em média tensão (> 690 V). Apesar de muitas pesquisas e investimentos já terem sido realizados e novos conceitos terem sido implementados, este é ainda um campo de intensos estudos na engenharia moderna e muito ainda se busca em termos de compreensão, aprimoramento e desenvolvimento do universo que envolve tal tema.
Os aspectos normativos que estabelecem os conceitos dos fenômenos que se fazem presentes e os requisitos mínimos a serem atendidos em projetos, testes e desempenho em operação de materiais isolantes utilizados em motores elétricos acionados por conversores de freqüência, ainda são consideravelmente novos, sendo que, algumas normas ainda estão em fase de elaboração, com os textos sendo comentados e votados pelas comissões avaliadoras. Entretanto, os sistemas de isolação dos enrolamentos de motores a serem acionados através de conversores de freqüência e a tecnologia de tais conversores, estão sendo desenvolvidos rapidamente. Adicionalmente, há pesquisas em andamento com o objetivo de se obter os melhores métodos para se testar tais sistemas de isolação.
Pode ser dito, portanto, com relação ao estabelecimento de normas técnicas para operação dos motores de indução no contexto dos acionamentos eletrônicos, que se trata de assunto que ainda apresenta uma relativa falta de compreensão no que se refere ao desempenho e dificuldades operativas. O estabelecimento final de normas técnicas para operação dos acionamentos com controle de campo orientado parece um pouco distante. Alguns dos problemas estão associados à injeção de harmônicos gerada pela grande maioria dos conversores existentes na indústria e ainda, à variação rápida de tensões inerentes às formas de onda produzidas.
Neste trabalho foram analisados os diversos fatores de influência que os conversores de freqüência apresentam aos motores elétricos, fazendo com que estes solicitem por materiais isolantes em seus enrolamentos com características aptas a trabalharem sob as novas exigências e fazendo com que o tempo de vida de operação do motor elétrico permaneça sob condições economicamente viáveis.
A vida útil dos motores elétricos acionados por conversores de freqüência pode ser prolongada com a utilização de materiais isolantes nos enrolamentos dos motores, aptos a suportar as novas exigências estabelecidas pelos conversores de freqüência. No entanto, o entendimento dos fatores que envolvem a interação “conversor de freqüência-motor elétrico” é fundamental para o desenvolvimento e implementação de tais materias isolantes, fazendo com que os mesmos apresentem características adequadas à nova aplicação. Assim, investimentos em pesquisas por novas tecnologias de materiais isolantes têm sido feitos por fabricantes de motores elétricos, fios e materiais isolantes.
Dentre as condições apresentadas pelos conversores de freqüência, é a repetibilidade dos pulsos de tensão provenientes do chaveamento do conversor PWM, associada ao “rise-time”, que causam os maiores danos à isolação do motor, diminuindo sua vida útil e aumentando às possibilidades de uma falha elétrica.
Pode-se ainda concluir que os desenvolvimentos recentes em materiais e vernizes utilizados nos sistemas de isolação dos motores elétricos têm melhorado consideravelmente as características térmicas, mecânicas e dielétricas de tais sistemas de isolação, fazendo com que os mesmos apresentem características superiores às exigências mínimas descritas nas normas atualmente existentes.
Com o objetivo de otimizar o projeto do motor elétrico a ser acionado por conversor de freqüência, naquilo que se refere ao sistema de isolação do motor, é imprescindível o levantamento detalhado das características operacionais do conversor, bem como da instalação em que o motor será utilizado, tais como a utilização ou não de filtros e o comprimento do cabo entre o motor e o conversor. Conhecendo-se tais parâmetros, poder-se-á projetar o motor elétrico
especificamente para a instalação em questão, com o fornecimento de uma máquina com sistema de isolação apropriado para a aplicação e normalmente mais competitivo economicamente. Ou seja, motores a serem acionados através de conversores de freqüência, especialmente os motores de grande porte, deverão ser cuidadosamente projetados para tal aplicação, sendo que, motores concebidos para acionamentos através de rede senoidal, não estão aptos tecnicamente para a operação com tais conversores.
Os resultados dos testes apresentados no Capítulo 4 mostram que a elevação de temperatura apresentada nas fases do motor de média tensão quando acionado por conversor de freqüência poderá ser de até 9,9°C superior à temperatura apresentada pelo mesmo motor quando acionado diretamente na rede de alimentação. Tal diferença de temperatura obtida nas fases do motor foi sempre superior a 5,8°C.
Os números obtidos em laboratório mostram que os valores para o fator de potência são sensivelmente menores para o motor acionado com conversor de freqüência do que aqueles com o motor acionado direto na rede de alimentação, resultado do considerável acréscimo da Taxa de Distorção Harmônica apresentada pela corrente de linha do motor quando o mesmo é acionado por conversor de freqüência. Consequentemente, o rendimento apresentado pelo motor quando acionado direto na rede de alimentação foi superior ao rendimento do motor quando acionado através de conversor de freqüência conforme apresentado pela figura 4.10.
Tais fatores podem contribuir sobremaneira para o decréscimo da vida útil do material utilizado no sistema isolante do motor e consequentemente, na vida útil do mesmo.
Em função da falta de disponibilidade do dinamômetro do laboratório de testes da WEG Automação, não foram realizados todos os ensaios inicialmente pretendidos para o conjunto motor-conversor de freqüência. Desta forma, ensaios adicionais poderão ainda ser feitos para tais equipamentos, considerando as seguintes condições:
¾ Com o motor elétrico sendo acionado diretamente na rede de alimentação através de contactor e transformador de 4 MVA com secundário em 4.160V, reduzir a carga aplicada pelo dinamômetro na ponta de eixo do motor para valores de torques iguais a 75%, 50% e 25% do valor nominal. Para tais condições registrar os valores de temperatura até a estabilização da mesma.
¾ Com o motor acionado através de conversor de freqüência com retificador de 12 pulsos sendo alimentado por transformador defasador, registrar as condições de operação do motor, ou seja, torque, velocidade, potência de entrada, potência do conversor, potência do motor, rendimento do transformador + conversor e rendimento do motor. Considerar a realização de tais registros para as seguintes freqüências de saída do conversor: 50Hz, 40Hz, 30Hz, 20Hz e 10Hz. Considerar ainda, para cada uma das freqüências citadas, as seguintes condições de torque de carga: 100%, 90%, 75%, 50% e 25%.
¾ Com o motor acionado através de conversor de freqüência conforme acima descrito, registrar também sua elevação de temperatura até a estabilização da mesma para as seguintes freqüências de saída do conversor: 50Hz, 40Hz, 30Hz, 20Hz e 10Hz. Considerar ainda, para cada uma das freqüências citadas, as seguintes condições de torque de carga: 100%, 90%, 75%, 50% e 25%.
Desta forma, o comportamento da temperatura do motor para condições de torques iguais a 75%, 50% e 25% do valor nominal poderá ser comparado para as diferentes condições, ou seja, para o motor acionado diretamente na rede de alimentação e para o motor acionado através do conversor de freqüência em 60 Hz.
Com o universo maior de valores, obtidos experimentalmente com os testes adicionais aqui propostos, novas conclusões poderão consequentemente ser obtidas em decorrência das novas análises.
Como sugestão para a realização de experimentos práticos, pode-se ainda arquitetar a realização de testes de medidas de descargas parciais em motores de média tensão acionados por conversores de freqüência. Os resultados então poderão ser comparados com os valores de descargas parciais apresentados na
isolação do mesmo motor quando acionado diretamente pela rede de alimentação. Desta forma, poder-se-á obter valores precisos do aumento do nível de descargas parciais no isolamento do motor imposto pelo acionamento com o conversor de freqüência. No entanto, como o equipamento de medição de descargas parciais é acentuadamente sensível às interferências do ambiente e outros equipamentos que estão eventualmente em funcionamento, as medições certamente seriam prejudicadas em função do trabalho de chaveamento dos IGBTs do conversor nas proximidades do motor. Uma solução então, seria enclausurar o motor com material que possa blindar o mesmo das influências causadas pelo chaveamento eletrônico do conversor de freqüência. Certamente os custos e a logística envolvida deverão ser considerados, principalmente quando tais testes utilizam equipamentos de grande porte como motor e conversor de média tensão.